智能制造系統(tǒng)建模與仿真第6章虛擬制造技術(shù)6.1虛擬制造概述6.1.1虛擬現(xiàn)實的概念6.1.2虛擬制造的定義及特點6.1.3虛擬制造的分類6.1.4虛擬制造在現(xiàn)代裝備制造業(yè)的作用6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.1虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)6.2.2虛擬制造系統(tǒng)的組成6.2.3虛擬制造系統(tǒng)的建模6.3虛擬樣機技術(shù)6.3.1虛擬樣機技術(shù)的基本概念6.3.2虛擬樣機關(guān)鍵使能技術(shù)2思維導圖虛擬現(xiàn)實（virtualreality，VR）是一種通過計算機技術(shù)模擬出的三維虛擬環(huán)境，讓用戶可以身臨其境地去感受到虛擬世界的真實性和互動性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于游戲、制造、教育、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，為人們帶來了全新的體驗和感受。能技術(shù)不斷發(fā)展和應用，目前已經(jīng)滲透到人們的生活中，為生活帶來了很多便利和改變。6.1虛擬制造概述6.1.1虛擬現(xiàn)實的概念

虛擬現(xiàn)實（virtualreality，VR）是一種模擬人類視覺、聽覺、嗅覺、觸覺與力覺等感知行為的高度逼真的人機交互技術(shù)，它集數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術(shù)、人-機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、網(wǎng)絡技術(shù)及并行技術(shù)等為一體，以三維空間表現(xiàn)能力給人們帶來了身臨其境的感覺和超越現(xiàn)實的虛擬性追求，極大地推動了計算機技術(shù)的發(fā)展，并使系統(tǒng)M&S環(huán)境發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

56圖6-1一般虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成VR系統(tǒng)通常由許多系統(tǒng)模塊構(gòu)成，主要模塊為虛擬環(huán)境、計算機環(huán)境、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和交互作用方式。虛擬環(huán)境包括建模、動態(tài)特征引入、物理約束、光照及碰撞檢測等；計算機環(huán)境包括圖像處理器、I/O通道、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫及實時操作系統(tǒng)等；虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括頭部跟蹤，圖像顯示，聲音、觸覺和手部跟蹤，等等；6.1虛擬制造概述6.1.2虛擬制造的定義及特點7虛擬制造的定義:虛擬制造利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡的支持下，采用群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的過程，可以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造的特點：①信息高度集成，靈活性高；②群組協(xié)同，分布合作，效率高。TQCS虛擬制造技術(shù)的作用

最快的上市速度（T）虛擬制造技術(shù)不需要制造樣機,可以隨時在設計過程中檢驗產(chǎn)品的可制造性和可裝配性，方便地修改模型，極大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期

最好的質(zhì)量（Q）虛擬制造技術(shù)可以通過對多種制造方案進行仿真,優(yōu)化產(chǎn)品設計和工藝設計,彌補傳統(tǒng)制造業(yè)靠經(jīng)驗決定加工方案的不足,提高產(chǎn)品質(zhì)量最低的成本（C）虛擬制造在計算機中進行,在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)工藝優(yōu)化等各環(huán)節(jié)并不消耗實際生產(chǎn)所需的物理材料，減少材料浪費和刀具磨損，有效降低設計和生產(chǎn)成本

最好的服務（S）決策者可以在虛擬制造中了解產(chǎn)品性能、生產(chǎn)進度、訂單、庫存、物流等動態(tài)信息,從而準確進行生產(chǎn)決策、把握訂單交期,提升對客戶的服務能力8表6-1

虛擬制造技術(shù)的應用6.1虛擬制造概述6.1.2虛擬制造的定義及特點虛擬制造有兩個特點：①信息高度集成，靈活性高。②群組協(xié)同，分布合作，效率高。6.1虛擬制造概述6.1.3虛擬制造的分類9虛擬制造分為3大類：

1.以設計為核心的虛擬制造2.以生產(chǎn)為核心的虛擬制造3.以控制為核心的虛擬制造圖6-3虛擬制造技術(shù)的分類6.1虛擬制造概述6.1.4虛擬制造在現(xiàn)代裝備制造業(yè)的作用10現(xiàn)代裝備制造業(yè)對虛擬制造技術(shù)的種種需求，可歸結(jié)為兩大方面：虛擬制造技術(shù)應用和虛擬制造技術(shù)服務。圖6-4虛擬環(huán)境下機器人在生產(chǎn)制造圖6-5在虛擬產(chǎn)線中了解生產(chǎn)狀況6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.1虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)11虛擬制造系統(tǒng)是用計算機技術(shù)，建立可視化虛擬模型。虛擬制造系統(tǒng)可以對現(xiàn)有信息和經(jīng)驗進行集成，通過交互式輸入輸出裝置構(gòu)成虛實結(jié)合的相關(guān)系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對實際生產(chǎn)生命周期的取代和擴展。圖6-6人-制造-計算機之間的虛實關(guān)系

從三個層次開展虛擬制造研究：

（1）虛擬開發(fā)平臺（2）虛擬生產(chǎn)平臺（3）虛擬企業(yè)平臺（4）基于PDM的虛擬制造集成平臺6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.1虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)12圖6-7清華大學國家CIMS工程技術(shù)中心提出的虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.2虛擬制造系統(tǒng)的組成13

虛擬制造系統(tǒng)的主要組成部分一般包括：（1）需求和信息輸入（2）數(shù)據(jù)圖形轉(zhuǎn)換和軟硬件系統(tǒng)接口（3）支撐數(shù)據(jù)庫（4）核心處理系統(tǒng)（5）評價體系模塊（6）模擬運行和生成輸出（7）應用前臺軟件模塊6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.2虛擬制造系統(tǒng)的組成14圖6-8制造企業(yè)中的虛擬制造系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.3虛擬制造系統(tǒng)的建模15虛擬制造系統(tǒng)開發(fā)及運行的主要內(nèi)容如下：①基于相關(guān)理論和經(jīng)驗積累，對制造知識進行系統(tǒng)化組織和描述。②對產(chǎn)品、設備等工程對象及制造過程、活動進行綜合建模，建立虛擬制造的系統(tǒng)模型。③利用虛擬制造的系統(tǒng)模型進行仿真，對產(chǎn)品設計制造進行評價。④對不滿意的仿真結(jié)果進行分析。提出改進措施后，重復上一步過程③。⑤對虛擬制造系統(tǒng)模型進行維護和完善，不斷提高仿真質(zhì)量。虛擬制造系統(tǒng)模型實質(zhì)上是真實制造系統(tǒng)要素的數(shù)字化表達，主要包括產(chǎn)品模型、過程模型和生產(chǎn)系統(tǒng)模型。6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.3虛擬制造系統(tǒng)的建模16一、產(chǎn)品模型圖6-9虛擬模型的制作過程示例圖6-10采用逆向工程三維掃描形成曲面模型6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.3虛擬制造系統(tǒng)的建模17二、過程模型圖6-11過程模型的結(jié)構(gòu)圖6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.3虛擬制造系統(tǒng)的建模18二、過程模型圖6-12模型化的過程6.2虛擬制造系統(tǒng)6.2.3虛擬制造系統(tǒng)的建模19三、生產(chǎn)系統(tǒng)模型圖6-13虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建與應用框架圖6.3虛擬樣機技術(shù)6.3.1虛擬樣機技術(shù)的基本概念20虛擬樣機技術(shù)是一種基于產(chǎn)品計算機仿真模型的數(shù)字化設計方法，這些數(shù)字模型即虛擬樣機（virtualprototype，VP）。虛擬樣機技術(shù)涉及多體系統(tǒng)運動學與動力學建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)，是基于先進的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合應用技術(shù)。6.3虛擬樣機技術(shù)6.3.1虛擬樣機技術(shù)的基本概念21虛擬樣機技術(shù)案例展示：圖6-18汽車動力學仿真圖6-19飛機起落架分析圖6-20機器人步行步態(tài)軌跡優(yōu)化6.3虛擬樣機技術(shù)6.3.2虛擬樣機關(guān)鍵使能技術(shù)22VPT是一個系統(tǒng)工程，其研究與應用實施自然涉及諸多技術(shù)并涵蓋諸多領(lǐng)域，主要包含如下方面：（1）VP總體技術(shù)（2）VP建模技術(shù)（3）VP協(xié)同仿真技術(shù)（collaborativesimulationtechnology，CST）（4）VP協(xié)同設計技術(shù)（collaborativedesigntechnology，CDT）（5）VP管理技術(shù)（6）VP測試與評估技術(shù)（testandevaluationtechnology，T&ET）（7）VR技術(shù)（8）支撐整個系統(tǒng)的工具集成平臺/框架6.2虛擬制造系統(tǒng)6.3.2虛擬樣機關(guān)鍵使能技術(shù)23圖6-21VPS的體系結(jié)構(gòu)圖復雜產(chǎn)品VP集成支撐環(huán)境本章小結(jié)24本章從虛擬現(xiàn)實的概念入手，介紹了虛擬制造技術(shù)的定義、特點和分類，虛擬制造是利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡的支持下，采用群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品的設計，工藝規(guī)劃，加工制造，性能分析，質(zhì)量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的過程，可以增強制造過程各級的決策與控制能力。具有信息高度集成，靈活性高；群組協(xié)同，分布合作，效率高的特點。虛擬制造系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中